基于西门子PLC的智能储运粮仓设计

严佳佳，张志萍，吕宵宵

（扬州大学广陵学院，扬州 225000）

0 引言

我国是一个农业大国，加快建设仓储管理智慧化的粮食仓储体系有助于筑牢大国粮仓，推进乡村振兴。传统的粮食储备仓库大部分是以人工为主的粗放型管理，采用扦样取粮，依赖人力，劳动强度大，已经不适用于目前的社会形势，设计具备自动化、工业化特点的粮食存储以及运输仓迫在眉睫［1-3］。

本文基于西门子300PLC 设计了一款全自动控制系统的粮食存储仓库，只需较少的人工，节省人力资源［4-5］。通过硬件和软件程序的设计，提升存储空间的利用率；通过程序和机械设备的结构设计，提高粮食运输的效率。

1 存储粮食仓库系统的控制方案简介

本次设计的智能储运粮仓系统，主要由输送装置、运转装置以及分拣装置三部分组成。

所设计的智能储运粮仓系统输送装置采用了带传动。因为粮食粒在传输过程中容易发生抖动，为了防止在输送过程中滑落到地面，采用防滑性传送带。而对于粮食的传输来说，为了节约输送时间、提升效率，采用光滑性传送带。

运转装置包括了设备的电机、牵引绳、改向装置、驱动装置等，整个传送带的运动以及运转装置的动力是由功率为5.5 kW 的电机将电能转换成动能。牵引绳使用电机的力量为传送带提供牵引力，带动履带进行运转；绕过每一个滚筒形成一个闭合圈状运转带动履带，实现粮食运输工作。

分拣装置主要是对粮食须和粮食粒进行分拣区别。上部是类似筛子的一个装置，通过不断抖动可以将粮食粒和粮食须初步分离开来；中部是一个具有一定区域的空间，能够借用风力将粮食粒和粮食须再次分离，分离出的粮食粒进入下一步继续运输，而粮食须则进入处理区域进行下一步的利用。

2 粮食仓库系统的硬件设计

2.1 硬件控制方案

现如今城市工业通信网络化，使用较多的是西门子PLC，通信模块化和编程工具的多样化技术位于其他品牌前列，控制器之间的通讯连接能力强，两个型号相同的可编程控制器经过网络的连接，即可完成设计系统的整个通信，在拓展模块和通信协议方面，也有着先进的技术。这些既可以扩展PLC 在各个行业的应用范围，又提高了系统运转的稳定性和可靠性。因此，选用PLC 作为智能储运粮仓系统的核心控制器。

硬件部分主要包括PLC 控制器、电源模块、输入输出模块、通信模块、拓展模块。

PLC 控制器：接收输入信号、处理逻辑信号、输出控制信号，整个粮仓系统的运行由其控制。

电源模块：为PLC 控制器以及其他模块提供相对稳定的电源。

输入输出模块：将传感器中信号转换为数字信号输入到PLC 中，将PLC 输出的数字信号转换为控制信号输出到执行器中。

通信模块：PLC 控制器与其他设备之间的通信连接。

拓展模块：用于扩展PLC 控制器的输入输出能力、存储能力等。

2.2 变频器的选型

将电气控制柜中电动机直接集成到机器设备中，通过对G130 变频器的参数设定和通讯模块连接，采用TCP-IP 通讯方式，实现对电机速度控制的功能。通过设置变频器输出的电压频率的大小、电机启停的加减速度大小、限制电机的最大输出电流、过载保护时间和过载保护电流值等参数变量的值，实现电机的低、中、高三档速度。

2.3 硬件接线图

智能储运粮仓系统的硬件部分主要包括PLC 控制器、输入输出模块、电动机、光电传感器、指示灯。接线图如图1所示。借由这些硬件，可以实现对粮仓内粮食存储量的实时监控，并将收到的数据通过通讯模块（如以太网、无线网络等通讯方式）发送给上位计算机或云端服务器模块。

图1 智能储运粮仓系统的硬件接线图

2.4 智能储运粮仓系统的符号表

智能储运粮仓控制系统的控制使用四个按钮分别实现启动、停止、入仓、出仓动作，并通过指示灯显示工作状态。智能储运粮仓系统控制符号表如表1 所示。具体描述功能实现原理：粮食经过传送带，对光源到传感器的光路遮挡，形成脉冲信号。光电传感器PS1、PS2 将检测到的信息转换成电信号输送到PLC 的输入模块各输入端口中。检测到粮食进料时，则输出高电平信号，电机启动；检测到粮仓中粮食达到一定高度时，则输出低电平信号，电机停止；粮食存储量低于一定值时，会自动启动进料装置。PLC 根据输入信号控制粮仓空指示灯：当PS1、PS2 均未检测到粮食进料时，指示灯HL1 亮起，粮仓为空；当PS1 或PS2 检测到粮食进料时，粮仓中的粮食存储量≥20%时，指示灯HL2 亮起。HL3、 HL4、 HL5 指示灯与其工作原理相同。粮仓中的粮食存储量满仓时，PS1、PS2 同时输出低电平信号，PLC 输出高电平信号，指示灯HL6亮。

表1 智能储运粮仓系统控制符号

2.5 输入输出地址表分配

通过对所设计智能储运粮仓系统进行分析，将提前设定的符号表用SIMATIC Manager 软件进行符号表组态。智能粮仓系统的生产线符号表如图2所示。

图2 智能粮仓系统的生产线符号表

3 粮食仓库系统PLC软件设计

3.1 粮仓系统的程序编写

粮食开始运入粮仓工作，传送带由按钮进行随时控制。按下SB1，电机M1 接通自锁，传送带1 动作，粮食运入粮仓；按下SB2，传送带1停止。系统自动检测粮仓的存储量，根据设定的指示灯显示出来。传送带的运行速度通过按钮进行控制，确保粮食的稳定运输。如图3 所示，在粮仓系统中，入仓动作进行。同样，出仓工作原理类似，设计SB3、SB4 两个按钮，分别控制传送带2开启和停止动作，实现将粮食运出粮仓。

图3 智能储运粮仓系统控制入仓动作程序段

当启动粮食入仓动作时，安装在传送带两侧的进料光电传感器发出光束，通过检测光束是否被遮挡来判断粮食的数量，并且通过称重或测量体积的方式实时记录入仓粮食的数量，如图4所示。

粮仓系统将计数转换成百分数，通过指示灯来显示实时粮食存储量。粮仓总容量定为100%，粮食实时存储量转换为百分比。一旦粮仓内粮食存储量发生变化，系统会重新计算粮仓存储量百分比，以便指示灯动作。如图5所示程序段控制显示粮食储存量，并以百分比的形式显示。

图5 智能储运粮仓系统显示粮食实时存储量程序段

3.2 基于西门子PLC粮食仓库系统的仿真调试

使用WICC软件，先创建系统项目，导入符号表，管理内部变量。打开图形编辑器，准备画图。最开始设置仓库内使用率为零，即仓库为空仓，并且仓库的第一个指示灯常亮为绿色，表示智能储运粮仓为空。如图6所示，粮仓系统光电感应器开始入仓动作。

图6 智能储运粮仓系统光电感应器开始入仓动作

3.3 仿真效果展示

粮食入仓工作状态，仿真效果如图7 所示。按下启动按钮SB1，电机开始工作，传送带开始运行，安装在传送带两侧的进料光电传感器检测入仓数量，不同的指示灯亮起表示粮食入仓数量的变化情况。当粮食入仓达到粮仓的限制值后，“粮仓满”指示灯亮起，表示此时粮仓使用率为100%，处于满仓状态，粮食入仓动作停止。

图7 智能储运粮仓系统工作状态仿真效果

按下SB3 按钮，电机M2 开始工作，出仓传送带开始运行，由指示灯指示粮仓内剩余的粮食数量。粮食出仓工作进行一段时间后，图7所示为粮仓内剩余的粮食数量为60%的工作状态。当剩余粮食数量为空仓状态（即剩余数量为0时），“粮仓空”指示灯HL1 再次亮起。光电传感器检测到粮仓空，出料完毕。按下停止按钮，电动机M2停止运转，粮仓停止出仓。

3.4 仿真模拟调试目的

通过WinCC 软件仿真模拟真实的粮仓系统，验证控制程序和所需实现的功能是否符合要求，检测系统的稳定性能，对程序设计及时调试和排除故障，以便后续系统安全、稳定、高效地运行，满足储运粮仓的实际需求，为实际应用提供参考。

4 结语

本文阐述了基于西门子300PLC 控制器设计的智能储运粮仓系统，通过硬件设计和软件设计，实现粮仓自动化和监测粮食储运过程。当粮食进出料时，光电传感器对粮食进行监测和数据采集，指示灯指示粮食存储量。西门子STEP 7 软件编写PLC 程序，WinCC 软件仿真调试程序，实现智能储运粮仓自动控制和报警系统等功能。所设计的智能储运粮仓系统考虑粮食的储存容量以及粮食的运输等问题，实现粮食储运过程的智能化。